DIPLOMSKI RAD - FSBrepozitorij.fsb.hr/6259/1/Cesarec_2016_diplomski.pdf · zahtjeva su mehaniĉka i dimenzijska svojstva odljevaka te neki drugi posebni zahtjevi. Proces lijevanja

SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

DIPLOMSKI RAD

Davor Cesarec

Zagreb, 07.07.2016. godina.

SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

DIPLOMSKI RAD

Mentor: Student:

Prof. dr. sc. Branko Bauer, dipl. ing. Davor Cesarec

Zagreb, 07.07.2016. godina.

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentoru prof.dr.sc. Branku Baueru na pruţenoj struĉnoj pomoći i korisnim

savjetima pri analizi eksperimentalog rada te izradi ovog diplomskog rada.

Zahvaljujem se djelatnicima Katedre za ljevarstvo na ukazanoj paţnji pri pokazivanju i

demonstriranju za provedbu eksperimentalnog rada.

Zahvaljujem se svojim prijateljima i kolgama na strpljenju, pomoći i povjerenju koje su mi

ukazali tijekom studija i tijekom izrade diplomskog rada.

Posebno se zahvaljujem svojim roditeljima i sestri na beskrajnoj podršci, koji su mi

omogućili školovanje i potporu.

Zahvaljujem se svojoj djevojci Mariji koja mi je pruţila neizmjernu potporu i poticaj u

radu.

Davor Cesarec

Ime Prezime Diplomski rad

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Izjavljujem da sam ovaj rad izradio samostalno koristeći steĉena znanja tijekom studija i

navedenu literaturu.

Davor Cesarec

Davor Cesarec Diplomski rad

I



II


SADRŢAJ:

POPIS SLIKA: .......................................................................................................................... IV

POPIS TABLICA: .................................................................................................................... VI

SAŢETAK: ............................................................................................................................... VII

SUMMARY: .......................................................................................................................... VIII

1. UVOD...................................................................................................................................... 1

2. RAZVOJ LJEVARSTVA ...................................................................................................... 3

3. PRIMJERI ODLJEVAKA KOKILNOG LIJEVA ............................................................... 6

3.1 Prednosti i nedostaci odljevaka kokilnog lijeva ................................................................. 7

4. MATERAJALI KOJI SE LIJEVAJU KOKILNIM LIJEVOM ........................................... 8

4.1 Cink i njegove legure............................................................................................................ 8

4.2 Aluminij i njegove legure ..................................................................................................... 8

4.3 Magnezij i njegove legure .................................................................................................... 9

5. TEHNOLOŠKI POSTUPAK PROIZVODNJE KOKILNOG LIJEVA ......................... 10

5.1 Premazivanje kalupa ........................................................................................................... 10

5.2 Ulaganje pješĉanih i metalnih jezgri ................................................................................. 11

5.2.1 Metalne jezgre ............................................................................................................. 11

5.2.2 Pješĉane jezgre ............................................................................................................ 12

5.3 Zatvaranje kalupa................................................................................................................ 13

5.3.1 Centriranje kalupa ....................................................................................................... 13

5.3.2 Stezanje kalupa ............................................................................................................ 13

5.4 Ulijevanje litine................................................................................................................... 14

5.4.1 Uljevni sustav .............................................................................................................. 15

5.5 HlaĊenje kalupa .................................................................................................................. 16

5.6 Otvaranje kalupa i izbacivanje odljevka ........................................................................... 17

6. IZVEDBE KALUPA ZA KOKILNI LIJEV ....................................................................... 18


III


6.1 Ruĉni kalupi ........................................................................................................................ 18

6.2 Kalupna klupa ..................................................................................................................... 19

7. SKRUĆIVANJE METALA I LEGURA ............................................................................ 20

7.1 Nukleacija............................................................................................................................ 21

7.1.1 Homogena nukleacija .................................................................................................. 21

7.1.2 Heterogena nukleacija ................................................................................................. 22

7.2 Rast kristala ......................................................................................................................... 23

8. SIMULACIJA LIJEVANJA ................................................................................................ 24

8.1 Poĉeci primjene programa za simulacije ........................................................................... 24

8.2 Simulacija lijevanja ............................................................................................................ 25

8.3 Koraci u simulaciji lijevanja .............................................................................................. 26

8.4 Simulacijski program.......................................................................................................... 26

9. EKSPERIMENTALNI DIO ................................................................................................ 27

9.1 Snimanje krivulje hlaĊenja u odljevku .............................................................................. 29

9.2 Snimanje krivulja hlaĊenja u kokili ................................................................................... 32

9.3 Zagrijavanje kokile ............................................................................................................. 36

9.4 Vrijeme skrućivanja krakteristiĉnih mjesta odljevka ....................................................... 37

9.5 Tijek skrućivanja i pojava poroznosti skrućivanja ........................................................... 39

9.6 Priprema taljevine za lijevanje ........................................................................................... 44

9.7 Lijevanje vilice.................................................................................................................... 46

9.8 Rezultati i analiza ............................................................................................................... 50

9.8.1 Vizualna kontrola ........................................................................................................ 50

9.8.2 Snimanje rendgenom ................................................................................................... 51

10. ZAKLJUĈAK .................................................................................................................... 53

LITERATURA .............................................................................................................................. 54


IV


POPIS SLIKA:

Slika 1. Majstor, umjetnik oko 1395. godine [3] .......................................................................... 3

Slika 2. Poĉeci mehanizirane proizvodje poĉetkom 20. st. .......................................................... 5

Slika 3. Primjeri odljevaka izraĊenih kokilnim lijevom ............................................................... 6

Slika 4. Tehnološki postupak proizvodnje kokilnog lijeva [1] .................................................. 10

Slika 5. Prikaz metalne jezgre u kalupu....................................................................................... 11

Slika 6. Centriranje polovica kalupa [1] ...................................................................................... 13

Slika 7. Naĉini stezanja kalupa: lijevo – ruĉno; desno – automatizirano [1] ........................... 14

Slika 8. Uljevanje litine u zatvoreni kalup [1]............................................................................. 14

Slika 9. Uljevni sustav prema kriteriju uljevne sile i poloţaja ušća [1] .................................... 15

Slika 10. Uljevni sustavi u odnosu na razdjelnicu [1] ................................................................ 15

Slika 11. Odljevak Al legure sa slomljenim spustom uljevnog sustava [2] .............................. 16

Slika 12. Izbacivaĉ odljevka [2] ................................................................................................... 17

Slika 13. Ruĉni kalup za kokilno lijevanje [1] ............................................................................ 18

Slika 14. Kokilna kalupna klupa [1] ............................................................................................ 19

Slika 15. Prikaz krivulje hlaĊenja ĉistog metala [6] ................................................................... 20

Slika 16. Faze skućivanja: a) nukleacija kristala u taljevini, b) i c) rast kristala, d) završeno

skrućivanje [11] ............................................................................................................................. 21

Slika 17. Krivulja hlaĊenja ĉistog metala s pothlaĊenjem [8] .................................................... 22

Slika 18. Heterogena nukleacija na stjenci kalupa: a) kritiĉna veliĉina klice, b) gornja klica ne

moţe rasti iz pukotine dok donja moţe ....................................................................................... 23

Slika 19. Simulacije lijevanja [12] ............................................................................................... 25

Slika 20. Vilica od aluminijske legure ......................................................................................... 27

Slika 21. 3D prikaz vilice ............................................................................................................. 28

Slika 22. Nacrt vilice..................................................................................................................... 28

Slika 23. Karakteristiĉna mjesta odljevka za snimanje krivulja hlaĊenja ................................. 29

Slika 24. Krivulja hlaĊenja u odljevku, varijanta 640-200 ......................................................... 30

Slika 25. Krivulje hlaĊenja u odljevku, varijanta 640-300 ......................................................... 30



Slika 28. Maksimalno zagrijana jezgra, varijanta 640-200 ........................................................ 32

Slika 29. Temperaturno polje kokile i odljevka na kraju skrućivanja ....................................... 32


V


Slika 30. Karakteristiĉna mjesta gdje su snimane krivulje temperaturnih promjena u kokili (1-

5) i odljevku (6) ............................................................................................................................. 33

Slika 31. Krivulje temperaturnih promjena u kokili i odljevku, varijanta 640-200 .................. 34




Slika 35. Histogram, maksimalne temperature kokile, °C ......................................................... 36

Slika 36. Vrijeme skrućivanja odljevka, varijanta 720-300 ....................................................... 37

Slika 37. Histogram, vrijeme srkućivanja karakteristiĉnih mjesta u odljevku, s ...................... 38

Slika 38. Usmjereno skrućivanje prema pojilu, varijanta 720-300 ............................................ 39

Slika 39. Skrućivanje odljevka, udio krute faze nakon 1,59 s, varijanta 720-300 .................... 40

Slika 40. Završetak skrućivanja odljevka, varijanta 640-200 .................................................... 40

Slika 41. Mjesta pojave poroznosti skrućivanja, varijanta 640-200 .......................................... 41

Slika 42. Vjerojatnost pojave poroznosti na mjestima koja posljednja skrućuju, varijanta 640-

200 .................................................................................................................................................. 42

Slika 43. Histogram, vjerojatnost poroznosti, %......................................................................... 43

Slika 44. Elektrootporna peć za taljenje ...................................................................................... 44

Slika 45. Taljenje aluminijskih ingota ......................................................................................... 44

Slika 46. Skidanje troske s površine taljvine ............................................................................... 45

Slika 47. Mjerenje temperature taljevine ..................................................................................... 45

Slika 48. Kokilni stroj za lijevanje, otvoren kalup ...................................................................... 46

Slika 49. Mehanizam sa otvaranje i zatvaranje kokile, zatvoren kalup ..................................... 46

Slika 50. Pomiĉna polovica kokile s jezgrama ............................................................................ 47

Slika 51. Nepomiĉna polovica kokile .......................................................................................... 47

Slika 52. Nanošenje premaza na kokilu ....................................................................................... 48

Slika 53. Ulijevanje taljevine ....................................................................................................... 48

Slika 54. Otvaranje kokile nakon lijevanja.................................................................................. 49

Slika 55. VaĊenje odljevka nakon hlaĊenja ................................................................................ 49

Slika 56. Prvi odljevak, lijevanje u kokilu predgrijanu na 150 °C ............................................. 50

Slika 57. Uljevni sustav ................................................................................................................ 51

Slika 58. Rendgenska snimka odljevaka ..................................................................................... 52

Slika 59. Prvi odljevak- hladniji kalup (lijevo) i topliji kalup (desno) ...................................... 52


VI


POPIS TABLICA:

Tablica 1. Grupe po kriteriju temperatura lijevanja i temperature predgrijavanja kokile ........ 27

Tablica 2. Maksimalna temperatura kokile, °C ........................................................................... 36

Tablica 3. Vrijeme skrućivanja karakteristiĉnih mjesta odljevka u sekundama ....................... 37

Tablica 4. Vjerojatnost poroznosti, % ......................................................................................... 43


VII


SAŢETAK:

Predmet razmatranja rada je tehnologija kokilnog lijevanja, razvoj kokilnog lijevanja

kroz povijest ukljuĉujući faze automatizacije u prošlosti, sadašnjosti i budućnosti. U radu je

navedena problematika lijevanja u metalne kalupe (kokile), tehnološki postupak lijevanja te

prednosti i nedostaci lijevanja u kokile. Detaljnije je opisan tehnološki postupak lijevanja,

ukljuĉujući pripremanje kalupa, ulaganje jezgri, zatvaranje kalupa, lijevanje, hlaĊenje te

vaĊenje odljevka.

Napravljen je kratki osvrt o skrućivanju materijala nakon lijevanja što je jedna od

najvaţnijih pojava u izradi proizvoda lijevanjem. Opisane su raĉunalne simulacije kao

naophodan alat u industriji i proizvodnji. Eksperimentalni dio temelji se na simulaciji

lijevanja izvedenoj u softverskom programu ProCAST i skrućivanja u programu QuickCAST,

analizirani su rezultati raĉunalne simulacije. Rezultati simulacije su usporeĊeni sa stvarnim

stanjem odljevka odlivenim u Laboratoriju za ljevarstvo na Fakultetu strojarstva i

brodogradnje.

Kljuĉne rijeĉi: kokilni lijav, lijevanje Al-legura, simulacija lijevanja


VIII


SUMMARY:

This thesis deals with the technology of permanant mold die casting, its development

throughout history, and past, present and future phases of casting automation. The paper lists

issues when casting in metal molds (dies), and procedure’s advantages and disadvantages.

Furthermore, the whole technological process of casting is described in detail with steps such

as: mold preparation, core insertion, mold closing, casting, cooling and removal of the

casting.

Additionally, paper gives a brief review of material solidification as one of the most

important phenomena in casting. Computer simulations have nowadays become a necessary

tool in both industrial design and manufacturing; therefore the experimental part of the thesis

is based on casting simulations executed in ProCAST and QuikCAST software package. The

results of computer simulations were then analyzed and compared with the actual castings

produced in foundry the Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture.

Key words: permanent mold casting, casting of Al-alloy, casting simulation


1


1. UVOD

Kokilnim lijevom naziva se postupak lijevanja odljevaka u metalne kalupe ili kokile

kada se litina ulijeva djelovanjem gravitacije. Upravo zbog naĉina lijevanja, kokilni lijev se

naziva i gravitacijski lijev. Vanjski dio odljevka odreĊen je kalupnom šupljinom, a šupljine u

odljevku oblikuju se pomoću pješĉanih ili metalnih jezgri.

Budući da se lijevanje vrši u metalne kalupe, to ustvari predstavlja lijevanje u

višekratne kalupe to jest u kalup se više puta moţe uljevati litina. Nakon skrućivanja litine

kalup se otvara te se iz njega izvlaĉi ili izbacuje odljevak. Zatim slijedi novi ciklus, zatvaranje

kalupa i ponovno ulijevanje litine.

Kalupi se izraĊuju od ĉelika ili sivog lijeva odgovarajućeg kemijskog sastava, a

oblikuju se obiĉno lijevanjem ili strojnom obradom. Strojnom obradom i poliranjem moţe se

postići jako fina obraĊena površina i toĉne dimenzije kalupa.

Osim dvodijelnih kalupa u upotrebi su sloţeni višedijelni kalupi primjenejni za

sloţenije obratke kao npr. u autoindustriji. Vijek trajanja kalupa je od desetak tisuća do

nekoliko stotina tisuća lijevanja. [1]

Lijevanje je najekonomiĉniji naĉin proizvodnje (npr. za velika kućišta strojeva

kompliciranih oblika), a posebno onda kada niti jedna druga tehnologija ne omogućava gotov

proizvod poput dijelova sa unutrašnjim kanalima nepravilnog oblika. Za proizvodnju dijelova

kompliciranih oblika u serijskoj proizvodnji, lijevanje je ekonomiĉnije od ostalih postupaka.

Oblikovanje se vrši u tekućem stanju, a metal (litina), kao i sve tekućine, zahtjeva minimalni

utrošak energije za promjenu oblika, pogotovo jer se kao uljevna sila najĉešće koristi sila

gravitacije.

Utrošak energije za dobivanje konaĉnog proizvoda ipak je znatan jer materijal

prethodno treba rastaliti. To je jedan od razloga zašto je lijevanje nezamjenjiva tehnologija

kod izrade proizvoda sloţenih oblika. Lijevanje nam omogućuje iznimno visoku proizvodnost

zbog kratkog trajanja skrućivanja odljevaka. Litina za vrijeme ulijevanja, skrućivanja i

ohlaĊivanja na kalup djeluje mehaniĉki, kemijski i toplinski. Za izradu kvalitetnih odljevaka

potrebna je visoka razina znanja i umješnosti. Naime ĉitav proces nije moguće vizualno pratiti

jer se odljevak formira unutar zatvorenog kalupa. Upravljanje kvalitetom iznimno je sloţeno

jer sam proces skrućivanja litine i promjene agregatnog stanja nije dovoljno istraţen. Neki od


2


zahtjeva su mehaniĉka i dimenzijska svojstva odljevaka te neki drugi posebni zahtjevi. Proces

lijevanja je kontinuiran, pa ga je teško u cijelosti kontrolirati, što ga svrstava u riziĉne

tehnologije. To je razlog zašto se razvoj ljevarstva kreće u smanjenju rizika i iskorištenju

mogućnosti visoke proizvodnje.


3


2. RAZVOJ LJEVARSTVA

Nakon što je ĉovjek otkrio metale, izradio peći za teljenje te pronašao prikladne

materijale za izradu kalupa, lijevanje metala postalo je moguće. Najstariji materijal koji se

oblikovao lijevanjem je bakar. Lijevanje bakra poĉelo je u trećem tisućljeću prije naše ere.

Kako bakar ima loša ljevaĉka svojstva (visoko talište te sklonost otapanju plinova) ukazala se

potreba za drugim materijalima. To je bila ljevaĉka bronca, kao znatno pogodniji ljevaĉki

materijal. Tehnologija lijevanja bronce osobito se razvila u starom vijeku. Iz toga vremena

potjeću mnogi upotrebni i umjetniĉki bronĉani odljevci. Topovske cijevi te razliĉita oruţja i

oruĊa i drugi predmeti lijevali su se od bronce u srednjem vijeku. Osim tehnike lijevanja

bronce razvila se i tehnika lijevanja mjedi, u sredozemnom kulturnom podruĉju. Mjed je

slitina bakra sa cinkom. Od mjedi su se proizvodili najĉešće ukrasni predmeti, te se kasnije

poĉela primjenjivati u strojogradnji. [2]

Slika 1. Majstor, umjetnik oko 1395. godine [3]

Kinezi su prije naše ere lijevali odljevke od sivog lijeva dok je u Europi proizvodnja

poĉela tek u srednjem vijeku. Proizvodnja ĉeliĉnog lijeva nije bila moguća premda je ĉelik bio

poznat već od ranije. Ugljena gnjecava ţeljezna masa, tzv. Nado dobivala se izravno iz rude

ispod vatre u ognjištima i niskim jamskim pećima. Ta masa se kasnije kovala. Tek većom

dobavom zraka u jamskim pećima (zbog izgaranja) dobivena je litina na bazi ţeljeza. Puhala

na mehaniĉki pogon vodom ili parom zamijenila su prirodni propuh i ruĉno puhalo. Na taj


4


naĉin omogućena je proizvodnja sivog lijeva. Usporedno morali su se poboljšati i materijali

za izradu kalupa da bi odolijevali višim temperaturama lijevanja.

U 15.st. pojavljuju se prvi odljevci od sivoga lijeva u obliku topovskih kugli. Izumom

peći za taljenje sirovog ţeljeza tj. kad se taljevina nije više ulijevala u kalupe neposredno iz

peći za taljenje rude poĉinje novo razdoblje u lijevanju sivog lijeva. Plamene peći koristile su

se u 17. i 18. st., a krajem 19.st. kupolne peći (kupolke) u kojima je ljevaĉ mogao taliti sirovo

ţeljezo, lomljevinu, ţeljezne otpatke i drugo. Mijenjanjem pojedinih komponenti zasipa ljevaĉ

je mogao podesiti sastav taljevine te na taj naĉin više nije bio ovisan o sirovom ţeljezu iz

visoke peći. [2]

Ţarenje odljevaka bilo je poznato poĉetkom 17. st. Ţarenjem odljevaka bijelog lijeva,

koji je tvrd, krhak i neobradiv, dobivali su se ţilavi odljevci. Tada je poĉela proizvodnja

tvrdog lijeva i lijeva za izradu valjaka. Danas se u svrhu taljenja ĉeliĉnog lijeva koriste

elektriĉne peći. Nekada se ĉeliĉni lijev talio u grafitnim loncima. Izrada kalupa za takvo

taljenje stvarala je odreĊene poteškoće. [2]

Nakon zastoja koji je pratio sve djelatnosti u prvoj polovici srednjeg vijeka, duhovna

renesansa znaĉila je i proizvodnu pa ljevarstvo daje proizvode interesantne za javne, drţavne i

crkvene potrebe. Ljevarstvo je tehnologija namijenjena velikom broju korisnika, zbog

mogućnosti izrade velikog broja replika pomoću modela. Do kraja 19.st. ljevarstvo je bila

individualna proizvodnja gdje je dominirao jedan majstor. Sve do kraja 20.st. ljevarstvo se

neće osloboditi veze pojedinac-majstor-inţenjer. [2]

Problem mehaniĉke energije razriješen je industrijskom revolucijom. Pogodnost

ljevarstva za serijsku proizvodnju doći će do izraţaja naglim porastom populacije. Intenzivna

mehanizacija, uglavnom na mehaniĉkim principima, dovest će do povećanja proizvodnosti,

ali i do vrlo teških radnih uvjeta, prašine, buke i povišene temperature. Efikasna industrijska

kontrola kvalitete nije moguća zbog nedostatka neadekvatnih instrumenata premda su

odljevci iznimno dobri, a temeljna saznanja o metalurgiji su formulirana. Poĉetkom 20.st.

došlo se do saznanja da je proizvodnju bolje temeljiti na visokosofisticiranim strojevima nego

na visokvalificiranim radnicima-majstorima. Slika 2 prikazuje primjer ljevaonica poĉetkom

20. st. Struĉna snaga potrebna je u pripremi proizvodnje, alatnici i odrţavanju. Ovakvim

naĉinom došlo je do visoke mehanizacije proizvodnih linija baziranih na treskalicama.

Kemijska energija još uvijek se primarno koristi za taljenje, bez obzira na široku upotrebu

elektriĉne energije. [4]


5


Slika 2. Poĉeci mehanizirane proizvodje poĉetkom 20. st.

Zbog sve većeg pritiska u vidu ujednaĉene kvalitete, visoke dimenzijske toĉnosti,

radnih uvjeta i ekoloških uvjeta većina ljevaonica nije bila u mogućnosti pratiti taj ritam.

Zarada je bila nemoguća te dolazi do propadanja ljevaonica sredinom 20.st. Zadovoljavajuća

rješenja nisu postiziva zbog tehniĉkih uvjeta koji vladaju u ljevaonicama. S obzirom na

nemogućnost prilagodbe starih, grade se nove, moderne ljevaonice. Treskalica je izbaĉena

zbog ograniĉenja uzrokovanih bukom, a zamjena dolazi u obliku visokotlaĉne automatske

pritiskalice iznimno visoke proizvodnosti.


6


3. PRIMJERI ODLJEVAKA KOKILNOG LIJEVA

Razliĉiti odljevci proizvedeni postupkom kokilnog lijeva prikazani su na slici 3.

Lijevanjem npr. aluminijskih legura u kalupe mogu se proizvesti dijelovi za vozila svih vrsta,

cijevni elementi, kućišta razliĉitih strojeva i naprava, proizvodi za dekorativne svrhe kao npr.

ograde, drške, stupići, ukrasni predmeti za unutrašnjost automobila. Na slici 3 prikazano je

nakoliko primjera odljevaka od kokilnog lijeva. [5]

Slika 3. Primjeri odljevaka izraĊenih kokilnim lijevom


7


3.1 Prednosti i nedostaci odljevaka kokilnog lijeva

Prednosti:

Odlijevci imaju glatku i ĉistu površinu te toĉne dimenzije

Odljevci imaju gustu strukturu i dobra mehaniĉka svojstva

Struktura odljevaka je sitnozrnata, a ĉvrstoća odljeva je velika

Proizvodni prostor ljevaonice bolje je iskorišten jer otpada prostor potreban za

pripremu, transport, usklaĊivanje pijeska te prostor za ĉišćenje odlijevaka

Mogućnost lijevanja svih najvaţnijih legura od ĉelika, sivog lijeva, bakra, aluminija

cinka i dr.

Kratak ciklus izrade odljevaka

Višekratno lijevanje odljevaka s jednim setom kalupa

Dobra toplinska vodljivost metalnog kalupa

Odljevci su bez ukljuĉina pijeska (osim ako se koriste piješĉane jezgre) [1]

Nedostaci:

Veliĉina odljevka ograniĉena je mogućnošću izrade kokile, njenom termostabilnošću i

visokom cijenom izrade

Visoki troškovi izrade kalupa, zato se kokilno lijevanje koristi za velikoserijsku

proizvodnju

Zbog potrebe vaĊenja odljevka iz kalupa, sloboda konstruiranja odljevka je

ograniĉena

Napajanje odljevka je oteţano zbog relativno hladne litine u pojilu

Odrţavanje kalupa utjeĉe na njegovu izdrţljivost, potrebno je premazivanje grafitom,

glinicom ili ĉaĊom

Potrebno je izbjegavati izdanke i oštre rubove na kalupu [1]


8


4. MATERAJALI KOJI SE LIJEVAJU KOKILNIM

LIJEVOM

Kokilnim lijevom lijevaju se: legure bakra, aluminija, magnezija i cinka. Najĉešće se

ipak lijevaju odljevci od lako taljivih metala kao što su cink i njegove legure, legure aluminija

i legure magnezija.

4.1 Cink i njegove legure

Razvojem cinka i njegovih legura došlo je do grupa legura koje su pogodne za

lijevanje u pijesak, metalne kalupe ili kokile i za školjkasti lijev. Mehaniĉka svojstva ovih

legura mogu biti kao zamjena za ţeljezni lijev i za bakrene legure. Pošto je cink u cijeni

povoljniji od bakra, njegove legure imaju znaĉajnu prednost pred bakrenim legurama. Dobra

cinkova obradivost i otpornost na koroziju ĉine ga zanimljivijim od bakra. Cinkove legure

lijevane u kalup imaju dobra mehaniĉka svojstva. Zbog njihovog niskog tališta (420 °C) i

temperature lijevanja, utrošak energije je nizak. Odljevci od cinkovih legura danas se

uspješno lijevaju s debljinom stijenke od 2,5 mm. Pri lijevanju većih debljina stijenke

preporuĉa se koristiti legure s 12 % aluminija. Legure s 27% aluminija upotrebljavaju se kada

se zahtjevaju bolja mehaniĉka svojstva kod tankostijenih obradaka.

Cinkove legure upotrebljavaju se kada se od odljevaka traţe bolja mehaniĉka svojstva,

dobra ĉvrstoća, otpornost trošenju i tvrdoća. Cinkove legure se dobro strojno obraĊuju, po

svojstvima mogu zamjeniti ţeljezni lijev. [1]

4.2 Aluminij i njegove legure

Jedna od najvećih prednosti aluminija u tehnici je njegova mala gustoća, u odnosu na

gustoću ĉelika gotovo je trostruko manja te se zbog toga aluminijske legure koriste za

smanjenje mase konaĉnih proizvoda. Najviše se upotrebljavaju legure aluminija sa silicijem i

magnezijem. Silicij daje dobru livljivost i mogućnost lijevanja tankostijenih odljevaka.

Magnezij se dodaje za povećanje ĉvrstoće Al legura.

Koriste se legure s 5,5 do 10,5 % silicija koje su hipoeutektiĉke te u njima prvo dolazi

do skrućivanja Al. Koriste se i legure s 10,5 do 13,5 % silicija kojima se struktura sastoji od

eutektiĉke matrice. Hipereutektiĉke legure sastoje se od 16 do 23 % silicija te se u njima prvo

skrućuje silicij. Ove legure imaju visoku otpornost na trošenje, razvijene su za lijevanje


9


blokova motora, a danas se koriste za široku primjenu. Problem kod ovih legura je visoko

talište (700 do 760 °C) što skraćuje vijek trajanja kalupa.

Bitna karakteristika aluminijevih legura u odnosu na ţeljezne legure je to što imaju

znaĉajnu dinamiĉku izdrţljivost. Postoji i problem koji ne vrijedi zanemariti, a to je poroznost

kao npr. vodikova bolest što negativno utjeĉe na odljevak te je treba svesti na najniţi mogući

nivo. [1]

4.3 Magnezij i njegove legure

Magnezij se u automobilskoj industriji upotrebljava već godinama. Njegova relativno

mala gustoća (1800 kg/m³) u odnosu na aluminij (2700 kg/m³) i potreba za uštedama na masi

potiĉu inţenjere u struci na povećanu upotrebu magnezijevih legura. Jednostavnost

proizvodnje odljevaka od magnezijevih legura ĉini tu proizvodnju najpovoljnijom za lijevanje

kokilnim lijevom.

Prednosti odljevaka od magnezija: manja gustoća, bolja istezljivost od ostalih legura,

20 do 30% kraći ciklus proizvodnje od aluminijskih legura, duţi radni vijek kalupa,

mogućnost izrade odljevaka tanjih stijenki.

Uglavnom se lijevaju legure magnezija jer ĉisti magnezij ima loša mehaniĉka svojstva

i nije otporan na visoke radne temperature. Za legiranje se najĉešće koriste legure s

aluminijem i cinkom. Maksimalna radna temperatura na kojoj se u eksploataciji koriste

magnezijevi odljevci je do 100 °C, inaĉe dolazi do puzanja materijala. Postoje i izimke,

specijalne magnezijeve legure koje mogu izdrţati i do 150 °C radne temperature.

Pri taljenju magnezija u atmosferi ne prestaje njegova oksidacija kao kod aluminija

(nastaje Al2O3) te se zbog toga taljenje magnezijskih legura provodi u inertnoj atmosferi.

Neĉistoće magnezijskih legura ne isplivaju na površinu te su razvijeni posebni postupci za

proĉišćavanje njegove litine.

Magnezijske legure najĉešće se upotrebljavaju u automobilskoj industriji za razliĉita

kućišta i dijelove koji nisu izloţeni visokim radnim temperaturama. [1]


10


5. TEHNOLOŠKI POSTUPAK PROIZVODNJE KOKILNOG

LIJEVA

Slijed tehnoloških operacija proizvodnje kokilnog lijeva prikazan je na slici 4.

Slika 4. Tehnološki postupak proizvodnje kokilnog lijeva [1]

5.1 Premazivanje kalupa

Ekonomiĉnost lijevanja u kalupe u velikoj mjeri ovisi o radnom vijeku kalupa.

Tijekom rada dolazi do oštećenja kalupa kao što su pukotine, plinska korozija, deformacije, a

sve zbog toplinskih opterećenja radne površine kalupa u dodiru s litinom.

Premazivanje kalupa i metalnih jezgri vrši se za vrijeme kad je kalup otvoren.

Premazivanje se vrši ĉetkom kod ruĉnih kalupa ili automatskim prskanjem kod automatizirane

proizvodnje kokilnog lijeva.

Nanošenjem sloja vatrostalnog premaza na radnu površinu kalupa direktno se

umanjuje neposredno toplinsko djelovanje litine na kalup. Prije nanošenja premaza kalup

treba biti zagrijan na temperaturu od 150 do 200 °C. Debljina premaza kreće se od 0,2 do 0,6

mm, a moţe biti i preko 1 mm. Premazi su suspenzije sitnomljevenih vatrostalnih materijala,


11


vode i dodataka za bolje ljepljenje na površinu kalupa. Primjer nekih od vrsta premaza je

mješavina borne kiseline 5%, cinkovog oksida 8%, vodenog stakla 2,5% i vode 84,5%.

Premazi imaju znatno manju toplinsku vodljivost od kalupa, djeluju kao izolatori te na

taj naĉin sprijeĉavaju prijelaz topline s litine na kalup te štite kalup od toplinskih napetosti.

Premazi trebaju imati odgovarajuća svojstva: mala toplinska vodljivost, dobro

prijanjanje uz radnu površinu kalupa, ne smiju stvarati plinove, postojanost na visokim

temperaturama.

5.2 Ulaganje pješĉanih i metalnih jezgri

Jezgrama se formiraju unutarnje šupljine odljevka. Ulaganje metalnih jezgri moţe se

izvesti prije i nakon zatvaranja kalupa. To ovisi o podjeli kalupa, ako su jezgre na diobenoj

ravnini ili samo u jednom dijelu kalupa. Pješĉane jezgre se ulaţu prije zatvaranja kalupa.

5.2.1 Metalne jezgre

Metalne jezgre se upotrebljavaju za jednostavne šupljine u odljevku. Mora postojati

mogućnost izvlaĉenja metalne jezgre iz kalupa nakon ulijevanja i skrućivanja litine, prikazano

na slici 5.

Slika 5. Prikaz metalne jezgre u kalupu

Metalne jezgre izloţene su najvećem toplinskim opterećenjima i znatnom trošenju, uz

mehaniĉko opterećenje za vrijeme izvlaĉenja iz odljevka. Zbog toga se jezgre izraĊuju od


12


legiranih ĉelika za rad u toplom stanju, najĉešće se upotrebljavaju kod lijevanja legura od

aluminija i magnezija.

Metalna jezgra koja odgovara unutarnjoj šupljini mora zadovoljiti sljedeće:

lako postavljanje, bez mogućnosti njenog pomicanja tijekom ulijevanja litine

lako izvlaĉenje jezgre iz odljevka, odmah nakon ulijevanja litine kada odljevak ima

ĉvrstu koru i minimalno skupljanje.

Radi lakšeg izvlaĉenja jezgre iz odljevka postoje jezgre koje tijekom lijevanja i

skrućivanja vibriraju, što olakšava njihovo izvlaĉenje. Postoje nepokretne i pokretne jezgre.

Nepokretne se primjenjuju uz jednostavnije odljevke te su smještene na jednoj polovici

kalupa. Pokretne jezgre po konstrukciji mogu biti izraĊene iz jednog dijela, izraĊene iz više

dijelova te spojene u jednu cjelinu, izraĊene iz više dijelova koje se pri vaĊenju odljevka vade

odreĊenim redosljedom. [5]

5.2.2 Pješĉane jezgre

Pješĉane jezgre kod kokilnog lijeva upotrebljavaju se kada se trebaju postići sloţeni

oblici šupljina u odljevcima a nije moguća primjena metalnih jezgri. Pješĉana jezgra se nakon

lijevanja i hlaĊenja istresa iz odljevka pomoću vibracija . Koriste se kod legura lakih i teških

obojenih metala npr. bakra, a najširu primjenu imaju kod lijevanja sivog lijeva i ĉelika.

Prednosti pješĉanih jezgri su:

moguće izvedbe sloţenih oblika i konfiguracija

dobro propuštanje plinova

ne spreĉavaju skupljanje odljevaka prilikom hlaĊenja

lako se izbijaju iz odljevka

Nedostaci pješĉanih jezgri:

jednokratna upotreba

razvijaju plinove, što se odraţava na kvalitetu odljevka [1]


13


5.3 Zatvaranje kalupa

Nakon prethodnih operacija slijedi zatvaranje i stezanje kalupa. Zatvoreni kalup se

dodatno osigurava kako nebi došlo do njegovog otvaranja, do povrede djelatnika i do

netoĉnosti odljevka. [6]

5.3.1 Centriranje kalupa

Prije ulijevanja litine potrebno je polovice kalupa sklopiti u jednu cjelinu. Na taj naĉin

se kompletira kalup i oblikuje kalupna šupljina koja odgovara obliku i dimenzijama odljevka.

Da bi se dobile toĉne dimenzije kalupne šupljine potrebno je osigurati toĉno sklapanje

polovica kalupa.

Slika 6. Centriranje polovica kalupa [1]

Centriranje kalupa moţe se ostvariti pomoću stepenastog dijeljenja kalupa (slika 6 -

lijevo) i pomoći svornjaka (slika 6 – desno). Toĉnije centriranje kalupa postiţe se pomoću

svornjaka.

5.3.2 Stezanje kalupa

Prije ulijevanja litine slijedi stezanje polovica kalupa u jednu cjelinu da bi se dobile

toĉne dimenzije odljevka i sprijeĉilo prodiranje litine iz kalupne šupljine po diobenoj ravnini

kalupa. Ruĉno stezanje izvodi se kod ruĉne proizvodnje kokilnim lijevom, stezanje se izvodi

pomoću ekscentriĉnih poluga i njima odreĊenim prihvatima. Na automatiziranim i

mehaniziranim linijama kalupi se zatvaraju pneumatski ili hidrauliĉki. Prikaz na slici 7. [1]


14


Slika 7. Naĉini stezanja kalupa: lijevo – ruĉno; desno – automatizirano [1]

5.4 Ulijevanje litine

Nakon zatvaranja kalupa slijedi operacija ulijevanja litine za popunjavanje kalupne

šupljine i dobivanja odljevka. Za dobivanje kvalitetnog odljevka potrebno je pravilno

konstruirati uljevni sustav, slika 8.

Slika 8. Uljevanje litine u zatvoreni kalup [1]


15


5.4.1 Uljevni sustav

Uljevnim sustavom smatra se skup kanala razliĉitog oblika kojim se litina dovodi u

kalupnu šupljinu, tako da postigne popunjavanje u što kraćem vremenu, sa što manjim

pregrijanjem, što mirnijim strujanjem i uz što manji utrošak materijala. Pored osnovne zadaće

da popuni kalupnu šupljinu, uljevni sustav uvjetuje ne samo konaĉna kvalitativna svojstva

odljevka, nego o njemu ovisi i izbor tehnologije lijevanja. Uljevni sustav mora osigurati

povoljan raspored topline radi kompenzacije pojave usahlina i napetosti te povoljnu brzinu

ulijevanja da ne doĊe do usisavanja zraka. [6]

Kriterij za sistematizaciju uljevnih sustava moţe biti uljevna sila i poloţaj ušća, prikaz

na slici 9.

Slika 9. Uljevni sustav prema kriteriju uljevne sile i poloţaja ušća [1]

Uljevni sustav kod kokilnog lijeva moţe se izvršiti prema poloţaju ušća uljevnog

sustava prema razdjelnici, odnosno na horizontalnu i vertikalnu ravninu, prikazano na slici 10.

Razlikuje se lijevanje odzgo, boĉno i uljevanje odozdo te vertikalni i horizontalni uljevni

sustav.

Slika 10. Uljevni sustavi u odnosu na razdjelnicu [1]


16


Vertikalni uljevni sustav i ulijevanje odozgo osigurava prirodni red skrućivanja, ali je

teško primjenjiv kod visokih odljevaka. Pri udaru malaza litine o dno kalupne šupljine dolazi

do raspršivanja mlaza, a time i do oksidacije kapljica.

Horizontalni uljevni sustav, uz boĉno ulijevanje omogućuje miran ulaz litine i

povoljne uvjete kod odstranjivanja troske. Ovaj uljevni sustav primjenjuje se ĉesto. U pogledu

reda skrućivanja uvjeti su znatno sloţeniji i ovisit će o obliku odljevka.

Vertikalni uljevni sustav i ulijevanje odozdo rjeĊe se upotrebljava jer zahtijeva

komplicirani naĉin izrade. Odlikuje se mirnim punjenjem kalupne šupljine, ali s neprirodnim

redom skrućivanja, što zahtjeva veća pojila. Omogućuje postupno istiskivanje zraka i plinova

iz kalupa. Velika je primjena kod lijevanja aluminija i magnezija. [1]

Slika 11. Odljevak Al legure sa slomljenim spustom uljevnog sustava [2]

Na slici 11. Prikazan je odljevak sa slomljenim spustom pravokutnog oblika. U

uljevnom sustavu nema vrtloţenja litine što je pogodno za lijevanje Al legura. Punjenje

kalupa je mirno ĉime su izbjegnute greške u odljevku radi mogućeg povlaĉenja zraka.

5.5 HlaĊenje kalupa

Da bi se povećao radni vijek kalupa i skratilo vrijeme oĉvršćivanja, kalupi se hlade.

HlaĊenje kalupa prirodnim ili prinudnim putem. Kod prirodnog hlaĊenja toplinu od litine

akumulirat će jezgra i kalup i predati je okolini. Kod prinudnog hlaĊenja toplina se odvodi od

vanjskog dijela kalupa prinudnim putem strujom zraka, vodenim hlaĊenjem ili kombinacijom


17


zraka i vode. Prinudno hlaĊenje je intenzivnije od prirodnog što je manja debljina stijenke

kalupa, veća toplinska vodljivost materijala i veća vanjska površina kalupa. [6]

Sustav za hlaĊenje ima znaĉajan utjecaj na ţivotni vijek kalupa. Potrebna je

mogućnost upravljanja temperaturom kako bi se mogao postići ţeljeni gradijent što

omogućava regulaciju i skrućivanje odljevka u kalupu.

HlaĊenje zrakom je polagano što pogoduje lijevanju tankostijenih odljevaka, ali ne

zadovoljava kod hlaĊenja odljevaka s debljom stijenkom. U cilju poboljšanja efiksnosti

hlaĊenja, kalupi se s vanjske strane izvode s rebrima, povećanjem površine za izmjenu topline

povećava se intenzitet haĊenja.

HlaĊenje vodom izvodi se na nekoliko naĉina, intenzitet hlaĊenja je veći nego kod

hlaĊenja zrakom. Naĉini hlaĊenja vodom:

postava cijevi s vodom na straţnju stranu kalupa,

postava cijevi s vodom na stroj za lijevanje, neposredni iza kalupa

bušenjem rupa za cirkulaciju vode kroz kalup

5.6 Otvaranje kalupa i izbacivanje odljevka

U svrhu brţeg izbacivanja odljevka iz kalupa ugraĊuju se izbacivaĉi. Nakon otvaranja

kalupa aktiviraju se izbacivaĉi te odvajaju odljevak od kalupa. Izbacivaĉi mogu biti i

nepokretni, ali u tom sluĉaju polovica kalupa mora biti pokretna što je ĉest sluĉaj kod

automatizirane proizvodnje. Kod odljevaka manje visine, ploĉastog oblika izbacivaĉi se ne

upotrebljavaju. Tijekom lijevanja litine u kalup, izbacivaĉ je sastavni dio ravnine površine

kalupa pa se ĉesto puta njegov otisak poznaje na odljevku. Na slici 12 prikazan je izbacivaĉ.

[1]

Slika 12. Izbacivaĉ odljevka [2]


18


6. IZVEDBE KALUPA ZA KOKILNI LIJEV

Kokilnim lijevom naziva se postupak lijevanja odljevaka u metalne kalupe – kokile.

Vanjski oblik definiran je kalupnom šupljinom, a šupljine u odljevku definiraju se pomoću

jezgri. Toplinski udar litine na kalup glavni je utjecajni parametar za odreĊivanje vijeka

trajanja kalupa. Litina se ulijeva na temperaturama kalupa od 150 do 300 °C, a materijal

kalupa izloţen je eroziji i toplinskom udaru. Zbog toga je nuţno odabrati odgovarajući

materijal kalupa.

Prilikom ulijevanja litine kalup se naglo zagrijava, a nakon ohlaĊivanja i vaĊenja

odljevka, kalup se naglo hladi.

Konstrukcija odljevaka i kalupa sloţen je posao, zahtjeva poznavanje naĉina

proizvodnje kalupa, ljevaĉka svojstva pojedinih materijala, tehniku lijevanja, uzroke pojave

grešaka na odljevcima itd.

6.1 Ruĉni kalupi

Ruĉni kalupi se uglavnom koriste za odljevke jednostavnijih oblika. Dijelovi kalupa

povezani su pantima. Nepokretna polovica kalupa nalazi se priĉvršćena za radni stol i na njoj

se nalazi ureĊaj za izbacivanje odljevaka. Kalup se zatvara pomoću mehanizma s ekscentrom,

a lijevanje se izvršava ruĉno pomoću lonca za lijevanje. Na slici 13 prikazan je kalup za ruĉno

lijevanje odljevaka. [1]

Slika 13. Ruĉni kalup za kokilno lijevanje [1]


19


6.2 Kalupna klupa

Naĉinom lijevanja pomoću kalupne klupe dobiju se odljevci sloţenijeg oblika za što su

potrebni ureĊaji s pomiĉnom i nepomiĉnom ploĉom na kojoj se priĉvršćuju polovine kalupa.

Kalup se otvara pomicanjem pomiĉne polovine kalupa. Ploĉa se pomiĉe mehaniĉki ili

hidrauliĉki. Na slici 14. prikazana je kalupna kokilna klupa s ruĉnim pogonom. [1]

Slika 14. Kokilna kalupna klupa [1]


20


7. SKRUĆIVANJE METALA I LEGURA

Skrućivanje ili kristalizacija je fazni prijelaz taljevine u krutinu. Uvjeti pri kojima se

odvija skrućivanje, utjeĉu na fizikalna i mehaniĉka svojstva, veliĉinu i raspored nastalih faza,

odreĊuju strukturu, stupanj segregiranja, te odreĊuju postupke daljnje obrade. Do skrućivanja

metala ili legura dolazi kada su ispunjeni sljedeći uvjeti:

pothlaĊenost taline

prisustvo klica

odvoĊenje topline iz sustava.

Prijelaz iz tekućeg u kruto stanje popraćeno je oslobaĊanjem latentne topline

skrućivanja. Latentna toplina skrućivanja je koliĉina topline koja se oslobodi kada tvar,

odnosno taljevina promijeni svoje agregatno stanje iz kapljevitog u kruto, pri konstantnoj

temperaturi. Tijekom ovog procesa potrebno je odvesti toplinu. Ona se odvodi zraĉenjem,

kondukcijom i konvekcijom. Brzina skrućivanja proporcionalna je brzini odvoĊenja topline.

Nakon što sva taljevina prijeĊe u kruto stanje više se ne razvija latentna toplina. Brzina

skrućivanja proporcionalna je brzini odvoĊenja topline. Na slici 15. prikazan je dijagram

temperatura/vrijeme te shematska krivulja hlaĊenja ĉistog metala.

Slika 15. Prikaz krivulje hlaĊenja ĉistog metala [6]

Skrućivanje se odvija u dvije faze:

prvo se odvija nukleacija (fizikalni proces stvaranja nove faze u materijalu)

zatim rast kristala (transport atoma iz taljevine na graniĉnu površinu kruto/tekuće)


21


Na slici 16 prikazan je tijek skrućivanja. Uoĉava se da prvo nastaju klice iz kojih se

razvijaju kristalna zrna. Razliĉito orijentirana kristalna zrna (orijentacija ovisi o smjeru

odvoĊenja topline i o kristalnoj strukturi metala) veţu se jedna na druge. Kristali rastu sve dok

se ne sudare, nakon ĉega se njihov rast nastavlja, izmeĊu njih javljaju se nepravilne granice

površine koje nazivamo granicama zrna. Proces skrućivanja je završen kada nestane taljevine.

Izuzetak kod skrućivanja je rast monokristala, gdje se rast omogućava samo jednom zrnu.

Postupci proizvodnje monokristala strogo su kontrolirani. Proizvodi dobiveni na ovaj naĉin

imaju specijalna svojstva koja nije moguće postići kod skrućivanja polikristaliĉnih metala

(metala s velikim brojem zrna). Skrućivanje ĉistih metala rijetko se susreće u praksi. Kod

skrućivanja legura utjeĉu tri osnovna faktora: kemijski sastav, brzina rasta i temperaturni

gradijent ispred fronta skrućivanja kruto/tekuće.

Skrućivanje legura dijeli se na:

skrućivanje jednofaznih primarnih kristala(skrućivanje jednofazne legure, ćelijasto i

ćelijasto dendritno skrućivanje, te dendritno skrućivanje)

skrućivanje višefaznih legura (eutektiĉko i peritektiĉko skrućivanje).

Slika 16. Faze skućivanja: a) nukleacija kristala u taljevini, b) i c) rast kristala, d) završeno skrućivanje [11]

7.1 Nukleacija

Nukleacija je poĉetna faza procesa skrućivanja, odnosno proces nastajanja klica.

Skrućivanje zapoĉinje nukleacijom, a dalje se nastavlja rastom kristala u taljevini i stvaranjem

kristalnih zrna. Postoje tri vrste nukleacije: homogena, heterogena, dinamiĉka.

7.1.1 Homogena nukleacija

Homogena nukleacija prisutna je kod izrazito ĉistih metala. U realnim uvjetima

skrućivanja ne dolazi do homogene nukleacije, zbog prisustva stranih ĉestica u taljevini i


22


stijenki kalupa. Ovo je najteţi put stvaranja klica i kristala jer je potrebno prevladati

energetsku barijeru graniĉne površine klica/taljevina. Za prevladavanje te energetske barijere

potrebno je veliko pothlaĊenje (razlika izmeĊu ravnoteţne i stvarne temperature skrućivanja).

Homogena nukleacija je dominantna i spontana kod ĉistih metala. Prema nekim

istraţivanjima do homogene nukleacije teško dolazi zbogu tjecaja gravitacije [5]. U realnim

uvjetima skrućivanja ne dolazi do homogene kristalizacije zbog prisustva stranih ĉestica u

taljevini. Termodinamiĉko pothlaĊenje taljevine pokreće nukleaciju, što je ono veće, veća je

vjerojatnost spontane nukleacije.

Slika 17. Krivulja hlaĊenja ĉistog metala s pothlaĊenjem [8]

7.1.2 Heterogena nukleacija

Heterogena nukleacija odvija se u realnim uvjetima pri skrućivanju metala i legura uz

vrlo malo pothlaĊenje. Nukleacija se odvija uz prisustvo stranih ĉestica, a to su ukljuĉci,

neĉistoće, oksidni filmovi i stjenke kalupa. Strane ĉestice već imaju neku postojeću graniĉnu

površinu, te se na taj naĉin smanjuje energetska barijera koju treba prevladati da bi nastala

klica. U industrijskoj praksi heterogena nukleacija potpomaţe se dodatkom sredstava za

usitnjavanje zrna u taljevinu. Realne stijenke pune su mikropukotina i pora. Prema slici 18

klica nastaje u korijenu pukotine. Pukotina je uĉinkovito mjesto za nastank klice ukoliko

njezin otvor nije manji od kritiĉnog radijusa r.


23


Slika 18. Heterogena nukleacija na stjenci kalupa: a) kritiĉna veliĉina klice, b) gornja klica ne moţe rasti iz

pukotine dok donja moţe

7.2 Rast kristala

Daljnjim odvoĊenjem topline, nakon što je zapoĉeo proces nukleacije, dolazi do rasta

kristala. Ovaj stadij skrućivanja traje sve dok ne nestane taljevine. Nukleus raste i stvara

kristale. Rast kristala ovisi o kristalnoj rešetki koja nastaje na meĊufaznoj granici kruto /

tekuće i o temperaturi. Najveći utjecaj na brzinu rasta kristala ima temperatura. Temperatura

meĊufazne granice kruto / tekuće mora biti manja od ravnoteţne temperature da bi kristal

mogao rasti. Naĉin odvoĊenja topline utjeĉe na konaĉnu strukturu krutine i odreĊuje

mehanizam rasta. Proizlazi da su dva ĉimbenika bitna za rast kristala, struktura graniĉne

površine i kinetika prikljuĉenja atoma na graniĉnu površinu kruto / tekuće (difuzija, prijenos

mase i topline).

Postoje dvije vrste meĊufazne graniĉne površine kruto/tekuće:

hrapava ili difuzna graniĉna površina kruto / tekuće (nefasetirana)

glatka graniĉna površina kruto / tekuće (fasetirana)


24


8. SIMULACIJA LIJEVANJA

Zadatak simulacije lijevanja je istraţiti nedostatke lijevanja i poboljšati procese

lijevanja pomoću raĉunalonog softvera za simulaciju lijevanja u metalne kalupe. Simulacija

lijevanja nalazi primjenu kod svih procesa lijevanja gdje su moguće pojave grešaka na

odljevcima. Raĉunalnom simulacijom dolazi se do podataka tj. do nedostataka koji se mogu

pojaviti prilikom lijevanja, a to su pukotine i nastale šupljine. Do pojave nedostataka dolazi

zbog nepravilnog projektiranja uljevnog sustava te pogrešnog odabira parametara lijevanja.

ProCAST / QuickCAST je jedan od softvera koji se koriste za simulaciju procesa

skrućivanja odljevka i za vizualizaciju problematiĉnih podruĉja i nedostataka koji se mogu

pojaviti na lijevanom odljevku.

8.1 Poĉeci primjene programa za simulacije

Lijevanje je jedan od najvaţnijih tehnoloških i ekonomskih procesa u preraĊivaĉkoj

industriji tj. proizvodnji metalnih proizvoda. Proces proizvodnje u ljevaonicama zapoĉinje

narudţbom kupca što ukljuĉuje definiranje dimenzija, tolerancija, vrstu materijela, kvalitetu

obrade površine, mehaniĉka svojstva proizvoda itd. Slijedeći korak je projektiranje uljevnog

sustava za što je zaduţen inţenjer ili tehnolog. Projektiranje moţe potrajati nekoliko dana ili

nekoliko tjedana ovisno o sloţenosti odljevka.[9]

U prošlosti inţenjeri su nastojali poboljšati proces lijevanja, s vremenom su eliminirali

nedostatke, no metodom pokušaja i pogreške taj proces je bio dugotrajan i skup, traţio je

iskustvo i vještinu projektiranja. Tijekom godina znanstvenici su razvili teorije i matematiĉke

modele kojima se opisuju svojstva materijala kada prolazi kroz skrućivanje. [10]

Iz matematiĉkih modela razvili su se alati poput programa za simulaciju lijevanja i

skrućivanja kojima se uspješno uoĉe greške prije nego se pravi proizvod podvrgne postupku

lijevanja. Nakon mnogo godina razvoja programa za simulaciju lijevanja, virtualne simulacija

zakoraĉile su u podruĉje zrelosti. Kao takve omogućuju testiranje i analiziranje podataka

dobivenim simuliranjem lijevanja, što u konaĉnici doprinosi poboljšanju proizvodnosti.


25


8.2 Simulacija lijevanja

Simulacijski softver je idustrijski specifiĉan programski paket koji korisniku

omogućava simulaciju cjelokupnog procesa lijevanja od popunjenja kalupne šupljine do

skrućivanja ukljuĉujući predviĊanje grešaka. Simulacijski softver za lijevanje moţe

predvidjeti vrste greške i gdje će se pojaviti što će utjecati na konaĉno vrijeme lijevanja.

Skrućivanje odljevka je neleinearno te ukljuĉuje promjenu faze uz oslobĊanje latentne topline.

Latentna toplina skrućivanja je koliĉina topline koja se oslobodi kada tvar, odnosno taljevina

promijeni svoje agregatno stanje iz kapljevitog u kruto, pri konstantnoj temperaturi. Tijekom

ovog procesa potrebno je odvesti toplinu. Ona se odvodi zraĉenjem, kondukcijom i

konvekcijom. Simulacijski programi posjeduju podatke metala i njihovih legura. Na slici 19

prikaz je primjera raĉunalne simulacije uz lijevanje.

Slika 19. Simulacije lijevanja [12]


26


8.3 Koraci u simulaciji lijevanja

Koraci koji se vrše za vrijeme simulacije lijevanja:

1. Izrada 3D modela: generiranje STL formata modela iz CAD programa

2. Odabir materijala: materijal odljevka, matrijal kalupa, graniĉni uvjeti

3. Pokretanje simulacije

4. Generiranje rezultata simulacije

5. Analiza rezultata i donošenje odluke o prihvaćanju ili ispravljanju

8.4 Simulacijski program

Simulacijski program omogućava kompletno industrijsko rješenje za ljevaonice te

realna i detaljna predviĊanja svakog dijela procesa lijevanja. Simulacija se odvija na temelju

metode konaĉnih razlika (FDM). Metoda konaĉnih razlika je metoda za rješavanje parcijalnih

diferencijalnih jednadţbi. Metoda konaĉnih razlika zahtjeva zamjene domene mreţom.

Simulacijski program moţe simulirati temperaturne promjene i prijelaze topline tijekom

lijevanja i skrućivanja. Program ima mogućnost vizualizacije podruĉja nastalih problema koji

se mogu pojaviti na odljevku tijekom lijevanja. To moţe pomoći smanjiti vrijeme i gubitke u

odnosu na probno lijevanje.


27


9. EKSPERIMENTALNI DIO

Eksperimentalni dio temelji se na simulaciji lijevanja za ĉetiri varijante. Varijante su

grupirane po kriteriju temperatura lijevanja i temperatura predgrijavanja kokile, prikazano u

Tablici 1. Simulacija lijevanja izvedena je za temperature lijevanja pri 720 °C i pri 640 °C u

kombinaciji s temperaturama kalupa 200 °C i 300 °C. Naknadno je izvršeno lijevanje

odljevka u Laboratoriju za ljevarstvo te su usporeĊeni rezultati iz simulacija u odnosu na

stvarni odljevak.

Tablica 1. Grupe po kriteriju temperatura lijevanja i temperature predgrijavanja kokile

Varijanta 1 Varijanta 2 Varijanta 3 Varijanta 4

Temperatura lijevanja

°C – temperatura

kokile °C

720-300

720-200

640-300

640-200

Simulacija lijevanja se izvodi u softverskom paketu ProCAST. Uzorak odnosno odljevak je

vilica od aluminijske legure, konaĉan proizvod prikazan je na slici 20.

Slika 20. Vilica od aluminijske legure


28


Slika 21. 3D prikaz vilice

Slika 22. Nacrt vilice

CAD model vilice dobiven je 3D skeniranjem, a iz njega je napravljena STL datoteka

koja je potrebna za izvoĊenje simulacije lijevanja i skrućivanja , prikaz na slici 21. Vanjske

dimenzije su 114 x 108 x 20 mm, prikaz nacrta na slici 22.


29


9.1 Snimanje krivulje hlaĊenja u odljevku

Snimanja su izvršena u softverskom paketu QuikCAST.

Na slici 23 prikazana su mjesta na kojima su snimane krivulje hlaĊenja u odljevku.

Slika 23. Karakteristiĉna mjesta odljevka za snimanje krivulja hlaĊenja


30


Na slikama 24, 25, 26 i 27 u nastavku, prikazane su snimljene krivulje hlaĊenja

karakteristiĉnih mjesta odljevka za ĉetiri kombinacije temperatura odljevka i temperatura

kokile.

Slika 24. Krivulja hlaĊenja u odljevku, varijanta 640-200

Slika 25. Krivulje hlaĊenja u odljevku, varijanta 640-300


31





32


9.2 Snimanje krivulja hlaĊenja u kokili

Na slici 28 prikazano je temperaturno polje u odljevku i kokili u trenutku kada je jezgra

maksimalno zagrijana, a na slici 29 temperaturno polje kokile i odljevka na kraju skrućivanja.

Slika 28. Maksimalno zagrijana jezgra, varijanta 640-200

Slika 29. Temperaturno polje kokile i odljevka na kraju skrućivanja


33


Na slici 30 prikazana su mjesta na kojima su snimane krivulje promjena temperature u kokili.

Slika 30. Karakteristiĉna mjesta gdje su snimane krivulje temperaturnih promjena u kokili (1-5) i odljevku (6)


34


Na slikama 31, 32, 33 i 34 u nastavku, prikazane su snimljene krivulje zagrijavanja i hlaĊenja

karakteristiĉnih dijelova kokile za ĉetiri kombinacije temperatura odljevka i temperatura

kokile.

Slika 31. Krivulje temperaturnih promjena u kokili i odljevku, varijanta 640-200



35





36


9.3 Zagrijavanje kokile

U tablici 2 su prikazane maksimalne temperature karakteristiĉnih dijelova kokile, oĉitane iz

krivulja temperaturnih promjena.

Tablica 2. Maksimalna temperatura kokile, °C

mjesto/varijanta 720-300 720-200 640-300 640-200

1. Dno 457 398 450 392

2. Jezgra 532 487 520 462

3. Sredina 487 440 480 430

4. Dno pojila 557 540 542 518

5. Vrh pojila 495 487 488 442

Slika 35. Histogram, maksimalne temperature kokile, °C

Prema rezultatima iz simulacije, prikazanim u histogramu na slici 35, najviše se zagrijava

jezgra i kokila pri dnu pojila.

0

100

200

300

400

500

600

1. Dno 2. Jezgra 3. Sredina 4. Dnopojila

5. Vrhpojila

720-300

720-200

640-300

640-200


37


9.4 Vrijeme skrućivanja krakteristiĉnih mjesta odljevka

Na slici 36 prikazano je vrijeme skrućivanja sredine odljevka za varijantu 720-300 (v0). U

tablici 3, prikazana su vremena skrućivanja karakteristiĉnih mjesta odljevka za ĉetiri

kombinacije temperatura odljevka.

Slika 36. Vrijeme skrućivanja odljevka, varijanta 720-300

Tablica 3. Vrijeme skrućivanja karakteristiĉnih mjesta odljevka u sekundama


Vrh 5,05 2,67 4,85 2,58

Sredina 1,52 0,86 1,45 0,83

Dno 0,66 0,32 0,58 0,30


38


Slika 37. Histogram, vrijeme srkućivanja karakteristiĉnih mjesta u odljevku, s

Analiza vremena skrućivanja, podaci prikazani u histogramu, slika 37. Kod svih varijanti do

najbrţeg skrućivanja dolazi u predjelu dna vilice, ali uoĉljiva je razlika da kod predgrijanih

kalupa na 200 °C dolazi do brţeg skrućivanja u odnosu na kalup predgrijan na 300 °C.

Znaĉajna je razlika u skrućivanja vrha vilice izmeĊu varijanti predgrijanog kalupa na 200 °C u

odnosu na 300 °C. Vidljivo je da je skrućivanje upola kraće kod kalupa predgrijanog na 200

°C.

0

1

2

3

4

5

6

vrh sredina dno

720-300

720-200

640-300

640-200


39


9.5 Tijek skrućivanja i pojava poroznosti skrućivanja

Na slici 38 prikazano je usmjereno skrućivanje odljevka od tankih dijelova na dnu prema

pojilu na vrhu, za varijantu 720-300. Princip skrućivanja jednak je za sve ĉetiri varijante.

Mogu se uoĉiti ĉetiri mjesta na kojima je došlo do prestanka napajanja, gdje postoji

vjerojatnost nastanka poroznosti.

Slika 38. Usmjereno skrućivanje prema pojilu, varijanta 720-300


40


Na slikama 39 i 40 prikazano je skrućivanje po središnjem presjeku odljevka, kao udio krute

faze koji se smanjuje od tanjih prema debljim dijelovima odljevka i prema pojilu.

Slika 39. Skrućivanje odljevka, udio krute faze nakon 1,59 s, varijanta 720-300

Slika 40. Završetak skrućivanja odljevka, varijanta 640-200


41


Na slici 41 prikazana su mjesta na kojima je došlo do pojave poroznosti skrućivanja kod

varijante s niţom temperaturom ulijevanja i niţom temperaturom kokile, varijanta 640-200.

Slika 41. Mjesta pojave poroznosti skrućivanja, varijanta 640-200


42


Na slici 42 prikazana je poroznost na popreĉnom presjeku odljevka. Iz tog prikaza moţe se

oĉitati vjerojatnost pojave poroznosti na pojedinom mjestu.

Slika 42. Vjerojatnost pojave poroznosti na mjestima koja posljednja skrućuju, varijanta 640-200


43


U tablici 4 prikazane su vjerojatnosti pojave poroznosti skrućivanja na mjestima koja zadnja

skrućuju za sve ĉetiri varijante temperature ulijevanja i temperature kokile.

Tablica 4. Vjerojatnost poroznosti, %


gore 30 40 38 40

dolje 16 22 20 22

dno 0 0 0 3

Slika 43. Histogram, vjerojatnost poroznosti, %

Iz histograma na slci 43 vidljivo je da su najbolji rezultati za topliju kokilu i višu temperaturu

lijevanja. Najlošiji rezultati su za hladniju kokilu i niţu temperaturu lijevanja. Na smanjenje

poroznosti puno više utjeĉe povećanje temperature kokile od povećanja temperature lijevanja

ĉiji se utjecaj vidi samo kod kokile zagrijane na 300 ˚C dok se kod kokile zagrijane na 200 ˚C

ne vidi.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

gore dolje dno

720-300

720-200

640-300

640-200


44


9.6 Priprema taljevine za lijevanje

Lijevanje je izvršeno u Laboraturiju za ljevarstvo na Fakultetu strojarstva i

brodogradnje. Slika 44 prikazuje elektrootpornu peć za taljenje metala u kojoj je izvršeno

taljenje aluminija za lijevanje vilice.

Slika 44. Elektrootporna peć za taljenje

Slika 45. Taljenje aluminijskih ingota


45


Slika 45 prikazuje aluminijske ingote neposredno prije taljenja. Prije postupka ulijevanja

potrebno je kontrolirati temperaturu taljevine prikazano na slici 47 i skinuti trosku s površine

taljevine u elektropeći, slika 46.

Slika 46. Skidanje troske s površine taljvine

Slika 47. Mjerenje temperature taljevine


46


9.7 Lijevanje vilice

U nastavku na slikama 48 i 49 prikazan je stroj za lijevanje. Stroj se sastoji od elektro-

hidrauliĉkog prigona za zatvaranje i otvaranje polovica kalupa. Desna polovica kalupa je

nepomiĉna dok je lijeva pomiĉna. Pomiĉni dio kalupa ostvaruje gibanje pomoću hidrauliĉkog

cilindra.

Slika 48. Kokilni stroj za lijevanje, otvoren kalup

Slika 49. Mehanizam sa otvaranje i zatvaranje kokile, zatvoren kalup


47


Kokila je prije lijevanja tretirana sredstvom za premazivanje kalupa. Korišten je

premaz DYOCOTE DBN120. Nanošenje premaza vrši se naštrcavanjem zraĉnim pištoljem na

predgrijanu kokilu. Slika 50 prikazuje pomiĉnu polovicu kokile tretirane premazom

neposredno prije lijevanja. Slika 51 prikazuje nepomiĉnu polovicu kalupa.

Slika 50. Pomiĉna polovica kokile s jezgrama

Slika 51. Nepomiĉna polovica kokile


48


Taljevina je prenesena od peći do kokile pomoću uljevnog lonca. Lonac je prethodno

predgrijan plinskim plamenom. Prije uljevanja prvo se predgrije kokila pa se nanese premaz,

slika 52. Kokila je predgrijana plinskim plamenom na 150 °C. Slika 53 prikazuje uljevanje

taljevine u kokilu. Nakon desetak ponovljenih ciklusa lijevanja, kokila je poprimila stabilno

temperaturno polje. Uoĉene su vidljive promjene na odljevcima odlivenim nakon

uspostavljanja stabilnog temperaturnog polja kokile i prvim odljevcima iz hladnije kokile.

Slika 52. Nanošenje premaza na kokilu

Slika 53. Ulijevanje taljevine


49


Slika 54. Otvaranje kokile nakon lijevanja

Slika 55. VaĊenje odljevka nakon hlaĊenja

Nakon uljevanja i hlaĊenja taljevine, kokila se otvara, prikaz na slici 54. Na slici 55

vidljivo je vaĊenje odljevka iz kokile.


50


9.8 Rezultati i analiza

9.8.1 Vizualna kontrola

Izvršena je vizualna kontrola odljevaka. Prvi odljevak koji je bio lijevan u hladnoj

kokili ima nekoliko površinskih nedoststaka. Vidljivo je da površina nije glatka, vidljive su

površinske linije koje su nastale ubrzanim skrućivanjem što je posljedica hladnog kalupa.

Slika 56 prikazuje odljevak nakon prvog lijevanja u relativno hladnom kalupu.

Slika 56. Prvi odljevak, lijevanje u kokilu predgrijanu na 150 °C


51


Slika 57 prikazuje usporedbu pojila prvog odljevka (dolje) i odljevka nakon desetak ciklusa

lijevanja kalupa (gore). Vidljivo je kako je dimenzija uljevnog sustava prvog odljevka

(oznaka broj 1) znatno manja od uljevnog sustava odljevka nakon zagrijavanja kokile uslijed

lijevanja.

Slika 57. Uljevni sustav

9.8.2 Snimanje rendgenom

U svrhu pronalaska poroznosti na odljevcima proizvedenim kokilnim lijevom,

napravljena je rendgenska snimka odljevaka. Slika 58 prikazuje rendgenski snimak prvog

odljevka (lijevo) u hladnijem kalupu te odljevka u toplijem kalupu (desno). Moţe se uoĉiti da

je prisutna poroznost u oba odljevka.

U prvom odljevku (lijevo) poroznost je izraţenija što je posljedica brţeg skrućivanja

taline zbog hladnijeg kalupa, slike 58 i 59. Stvarno izvedeno stanje se podudara sa

simulacijama gdje je temperatura hladnijeg kalupa iznosila 200 °C, a toplijeg 300°C.

Simulacije su pokazale da pojava poriznosti ne ovisi toliko o temperaturi taline koliko ovisi o

temperaturi kokile. Kod manje temperature kokile dolazi do brţeg odvoĊenja topline iz

odljavka, posljedica toga je brţe skrućivanje te pojava većeg udjela poroznosti.


52


U odljevku koji je izveden na toplijem kalupu (desno) pojava poroznosti drastiĉno je

manja, slike 58 i 59. Moţe se zakljuĉiti da je u ovom sluĉaju usporeno odvoĊenje topline iz

odljevka, za što je zasluţna povišena temperatura kokile.

Slika 58. Rendgenska snimka odljevaka

Slika 59. Prvi odljevak- hladniji kalup (lijevo) i topliji kalup (desno)


53


10. ZAKLJUĈAK

Konstrukcija metalnih kalupa za postupke kokilnog lijevanja predstavlja znaĉajan

konstrukcijski izazov i zahtjeva spoj znanja i steĉenih iskustava pri oblikovanju i izradi istih.

Prilikom postupka konstruiranja i oblikovanja metalnih kalupa treba biti zadovoljen veliki

broj kriterija. Zakljuĉujemo da simulacije za lijevanje postaju moĉan alat za predviĊanje

lokaliteta grešaka, te za eliminaciju istih. Vizualizacija punjenja kalupa, hlaĊenja i skrućivanja

i vizualizacija pojave poroznosti uvelike štedi na vremenu i troškovima.

U eksperimentalnom dijelu rada napravljena je simulacija lijevanja za ĉetiri varijante,

gdje su varijante grupirane po kriteriju temperatura lijevanja i temperatura predgrijavanja

kokile. Naknadno je izvršeno lijevanje odljevka u Laboratoriju za ljevarstvo te su usporeĊeni

rezultati iz simulacija u odnosu na stvarni odljevak.

Rezultati simulacija podudaraju se sa stvarnim odljevkom. Rendgenski prikaz odljevka

otkriva pojavu poroznosti na dijelovima koji su kritiĉni. Stvarno izvedeno stanje se podudara

sa simulacijama gdje je temperatura kalupa bila niţa (200 °C). Simulacije su pokazale da

pojava poriznosti ne ovisi toliko o temperaturi taline koliko ovisi o temperaturi kokile. Kod

manje temperature kokile dolazi do brţeg odvoĊenja topline iz odljavka, posljedica toga je

brţe skrućivanje te pojava većeg udjela poroznosti.


54


LITERATURA

[1.] Budić Ivan: Posebni ljevaĉki postupci, Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu, Slavonski

Brod, 2006

[2.] Tehniĉka enciklopedija 6, Zagreb MCMLXXIX, Izdanje i naklada jugoslavenskog

leksikografskog zavoda

[3.] https://www.lionheartreplicas.co.uk/pewter-and-its-history.aspx

[4.] Bonaĉić Mandinić Z., Budić I.: Osnove tehnologije kalupljenja – jednokratni kalupi 1.

Dio, Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu, Slavonski Brod, 2001.

[5.] Ţivković D.; “Lijevanje metala“, interna skripta, Sveuĉilište u Splitu, Fakultet

elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Split, 2007.

[6.] Mehanizacija ljevaonica, Tehniĉka enciklopedija, Zagreb: JLZ 1963.-2997. Sv. 8. 1980.

[7.] http://www.pfri.uniri.hr/~tomac/TMO/TMO%209%20%204_4.07.PDF

[8.] R.E. Samallman in R.J. Bishop: Modern Physical Metallurgy & Materials Engineering

(Sixth Edition), Butterworth-Heinemann ©Reed Educational and Professional Publishing

[9.] M. Payapong: Solidification Modeling of Iron Casting Using SOLIDCast, Master diss.,

West Virginia University, 2007.

[10.] B. Ravi: Casting simulation and Optimization: Benefits, Bottlenecks, and Best Practices,

Technical Paper for Indian Foundry Journal, 2008.

[11.] http://www.riteh.uniri.hr/zav_katd_sluz/zvd_pro_strpj/djelatnici/acukor_predavanja/

[12.] Simulacije lijevanja: literatura – Branko Bauer, Predavanja Automatizacija lijevaonica,

FSB Zagreb, 2012.
http://www.pfri.uniri.hr/~tomac/TMO/TMO%209%20%204_4.07.PDFhttp://www.riteh.uniri.hr/zav_katd_sluz/zvd_pro_strpj/djelatnici/acukor_predavanja/

Documents

DIPLOMSKI RAD - FSBrepozitorij.fsb.hr/6259/1/Cesarec_2016_diplomski.pdf · zahtjeva su mehaniĉka i dimenzijska svojstva odljevaka te neki drugi posebni zahtjevi. Proces lijevanja